設施蔬菜水肥一體化智能灌溉控制系統的設計及試驗

張雪飛，彭 凱，王建春，宋治文，王 艷，梁新書，錢春陽，李 鵬

（1.天津市農業科學院信息研究所，天津300192；2.河北工業大學機械學院，天津300130；3.天津市農業資源與環境研究所，天津300192；4.天津億網通達網絡技術有限公司，天津300100）

設施蔬菜水肥一體化智能灌溉控制系統的設計及試驗

張雪飛1，彭 凱2，王建春1，宋治文1，王 艷3，梁新書3，錢春陽1，李 鵬4

（1.天津市農業科學院信息研究所，天津300192；2.河北工業大學機械學院，天津300130；3.天津市農業資源與環境研究所，天津300192；4.天津億網通達網絡技術有限公司，天津300100）

設計了設施蔬菜水肥一體化智能灌溉控制系統，該系統通過環境傳感器實現對環境對象感測，精準獲取設施蔬菜的全生育期的環境參數；設計了“土壤含水量下限＋小額灌溉”的灌溉策略模式，結合設施蔬菜全生育期的環境參數形成閉環回路，驅動文丘里比例施肥機進行有效水肥灌溉完成對設施蔬菜的精細化耕作。結果表明，該系統能夠按照預設間隔時間有效監控設施蔬菜的環境參數，并能在設定的土壤濕度參數范圍內啟動或者澆灌，實現智能澆灌，比傳統的自動澆灌系統更加高效。

水肥一體化；無線傳感網絡；環境調控；設施蔬菜；灌溉策略

作為農業大國，水資源利用不合理以及水資源使用過程中存在各種浪費現象一直是我國農業發展所面臨的重要問題[1-5]。目前農業生產中普遍采用大水漫灌、畦灌、溝灌等灌溉方式，導致農業的水資源有效利用率僅為40%。與此同時，農業生產過程中存在肥料過度使用[6-8]，單位面積施肥量逐年攀升，但是蔬菜產量并無明顯提高，養分利用效率很低，導致生態環境壓力及環境污染日趨嚴重。

隨著信息技術在農業上的推廣應用，智能化、自動化、精準化的灌溉施肥方式正逐步取代傳統的灌溉方式。智能灌溉系統將蔬菜水肥管理技術與物聯網技術、信息傳感技術和控制技術進行集成[9-20]，實時監測設施溫室的空氣溫濕度、土壤含水量及溫度、光照度的環境信息，并將土壤含水量作為智能灌溉開啟的條件，按照程序預設的灌溉策略，對農作物進行精準灌溉，從而使得土壤始終保持最適宜農作物的濕度狀態，有效促進了農作物生長，進而實現節水節肥，省工省時，農作物增產增效。

1 系統整體設計

設施蔬菜水肥一體化智能灌溉控制系統是集環境監控、數據采集、數據傳輸、數據分析及決策、智能控制為一體的管理系統，實現了對設施溫室的環境信息進行分布式監控及集中式的管理功能，本研究的系統功能結構如圖1所示。該系統由環境數據采集及傳輸、環境數據展示及存儲、灌溉決策及控制3層結構組成。通過Zigbee自組網的方式構成系統的無線網絡，完成環境數據的傳輸及灌溉控制指令的下達。環境數據采集部分是通過Zigbee終端完成數據的定時采集，并通過Zigbee自組網將環境數據發送到Zigbee協調器，協調器通過串口將數據轉發給ARM中央控制器，ARM中央控制器進行分析計算處理，根據環境數據及智能決策方案進行水肥一體化灌溉控制。

2 系統硬件電路設計

本系統的硬件電路分為3個部分，無線環境信息采集節點、基于ARM的智能采集灌溉控制器、無線灌溉控制節點。本系統中采用的無線傳輸模塊，均采用CC2530芯片進行設計，該芯片底層采用了Zigbee的通信協議，集成了單片機內核、射收發模塊等，具有功耗低等特點。

2.1 無線環境信息采集節點

本系統設計了可擴展多通道數字型傳感采集器，包括無線傳輸單元和傳感器。選用的環境信息傳感器均為數字型傳感器，數字型傳感器為I2C總線數字傳感器、單總線數字傳感器、RS485接口型數字傳感器，并且接口擴展板用于動態增加傳感器接入數量，理論上最多支持254個數字傳感器。每個傳感器通過撥碼開關設置唯一的IP地址。Zigbee CC2530定時發指令獲取傳感器的數據，并通過其射頻模塊將傳感器的數據進行無線發送，發送給上位機相連的協調器中。其結構設計如圖2所示。

2.2 基于ARM智能決策節水灌溉控制器設計

基于ARM智能決策節水灌溉控制器包括ARM開發板及Zigbee CC2530協調器，協調器與ARM開發板通過RS232串口相連，CC2530協調器將接收到的Zigbee終端上報的環境信息通過串口方式傳送給ARM開發板。ARM開發板將接收到的環境信息進行計算處理及保存入庫操作。Zigbee協調器在整個無線網絡中只有1個，并且負責協調、建立、維護整個無線網絡。ARM開發板主要有以下功能：（1）接收來自基于Zigbee的無線環境采集器的傳感器信息；（2）具有人機交互功能，能夠實時監測農業園區內各個棚室灌溉狀況的控制器設備；（3）制定灌溉、施肥策略，實現智能化灌溉。基于ARM智能決策節水灌溉控制器的硬件結構設計如圖3所示，控制器使用了具有高性能Cortex-A8核心板的ARM開發板，采用了Linux操作系統，使用QT作為人機界面開發工具，實現了對傳感器上報數據的解析和封裝、根據傳感器數據及專家決策的智能灌溉指令的下發，通過串口與Zigbee協調器完成消息交互，并通過3G，GPRS的形式實現與遠程服務器的通訊，接收來自遠程服務器下發的灌溉指令、查詢指令。

2.3 無線灌溉控制節點

無線灌溉控制節點主要包括無線射頻接收模塊、文丘里比例施肥機、數字流量計、液位計、2個電磁閥。當無線射頻接收模塊，接收到來自協調器的灌溉指令時，射頻模塊會根據灌溉指令啟動第1或者第2電磁閥，開啟后，不斷的檢測數字流量計或液位計的數據，若達到預定的灌溉值，則關閉第1或者第2電磁閥。其中，第1電磁閥是控制灌水的管路，數字流量計是統計灌水量的儀表；第2電磁閥是控制施肥的管路，液位計是統計施肥量的儀表。具體如圖4所示。

3 設施蔬菜全生育期灌溉模型及系統軟件設計

3.1 設施蔬菜全生育期灌溉模型設計

結合物聯網技術，目前作物灌溉主要有以下幾種方式：手動模式、自動模式和智能模式。智能模式又分為3種：第1種按地方標準的灌溉方式（土壤水分下限＋適量灌水量）進行灌溉；第2種根據經驗及文獻按水分上下限方式控制灌溉；第3種是改進的灌溉方式（土壤水分下限+小額灌水量），將土壤水分傳感器放置于15 cm的土層中，當土壤體積含水量下限范圍為37.03%～37.56%，借助控制器開啟智能灌水施肥。

本系統采用第3種改進式的灌溉方式，采用少量多次灌溉的原則，改進后的灌溉方式能夠使土壤體積含水量下限范圍變異幅度小，保證根層土壤水分始終處在適宜范圍內。

3.2 下位機軟件設計

下位機軟件采用了IAR Embedded Workbench開發環境，利用ZStack協議棧完成了軟件的開發。ZStack協議棧是TI公司為Zigbee提供的一個解決方案，它是一種基于輪轉查詢式的操作系統。

Zigbee組成無線網絡，其中協調器是整個網絡的管理者。當協調器上電完成硬件和軟件的初始化后，負責建立整個網絡的連接。無線環境采集部分和無線灌溉控制節點部分是Zigbee的終端節點，通過無線網絡，ARM灌溉控制器通過Zigbee協調器發送消息給Zigbee終端節點，終端節點收到消息，并進行解析，完成下一步動作。協調器和終端節點的軟件流程如圖5所示。

3.3 上位機軟件設計

基于ARM智能決策節水灌溉控制器的上位機軟件主要是利用ARM的Linux平臺下的QT軟件平臺進行編寫的。軟件的架構如圖6所示。

上位機軟件的工作流程為：ARM通過串口發送定時獲取環境傳感器信息的指令到Zigbee協調器，Zigbee協調器轉發指令給各個環境傳感器終端，終端收到指令后，將環境傳感器的數據返回到Zigbee協調器，Zigbee協調器通過串口返回給ARM，最終ARM將環境數據進行顯示。通過ARM的人機交互接口，設定智能灌溉的策略，設定成功后，ARM不斷判斷及檢測土壤含水量是否到達給定的閾值，若已到達閾值，則啟動灌溉。

4 系統測試分析

開發了一整套系統，包括無線環境信息采集節點（可以是多個節點），基于ARM智能決策節水灌溉控制器及無線澆灌控制節點（圖7）。

試驗裝置從2017年3月11日至7月10日在天津市漢沽永豐合作社5號日光溫室進行試驗。試驗共分2個處理：（1）傳統滴灌模式。按照當地農民溫室黃瓜滴灌管理進行水肥控制；（2）智能滴灌模式。借助土壤水分傳感器，進行智能水肥灌溉。每次灌水定額為5 mm，每次施純N濃度為120 g/m3（每個小區面積為3.9 m×7.5 m）。

試驗中，環境參數采集節點每30 min采集并記錄一組環境參數，每天采集24組，濕度設定小于37.03%啟動滴灌，大于37.56%停止滴灌。傳統滴灌模式和智能滴灌模式下根層土壤體積含水量的動態變化如圖8所示。據統計，傳統滴灌模式共灌水18次，而智能滴灌模式共灌水22次。處理開始后，傳統滴灌模式每次灌水前土壤體積含水量下限的范圍35.86%～38.35%，變異幅度較大，如此會造成每次灌溉前根層土壤缺水嚴重或根本不缺水，如此不合理的灌溉往往會導致水分的浪費；而智能滴灌模式處理下啟動灌水施肥程序土壤體積含水量下限范圍為37.03%～37.56%，變異幅度較小，能夠保證根層土壤始終處在適宜水分范圍內。

5 結論

本研究設計了一套基于智能灌溉策略的設施蔬菜水肥一體化智能節水灌溉系統，采用了無線傳輸網絡將設施溫室環境信息采集并傳送至上位機。上位機分析環境信息并建立“土壤含水量下限＋小額灌溉”的灌溉策略，有效地實現了設施蔬菜的適量灌溉，最終可實現對設施蔬菜的精細化耕作，達到了節水、節肥、增產的目的。

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Design and Test of Intelligent Irrigation Control System for Water and Fertilizer Integration of Facilities Vegetables

ZHANGXuefei1，PENGKai2，WANGJianchun1，SONGZhiwen1，WANGYan3，LIANGXinshu3，QIANChunyang1，LIPeng4

（1.Institute ofInformation，Tianjin Academy ofAgriculturalSciences，Tianjin 300192，China；2.SchoolofMechanicalEngineering，HebeiUniversity ofTechnology，Tianjin 300130，China；3.Tianjin Institute ofAgriculturalResources and Environment，Tianjin 300192，China；4.Tianjin Ewebtd Network Teachnology Co.，Ltd.，Tianjin 300100，China）

An intelligentirrigation controlsystem for incorporating integration ofwater and fertilize was designed.The system could obtain precise regulation ofenvironmentalparameters through the environmentalsensors.The irrigation strategy of"soilmoisture limit＋micro-irrigation"and combined with the environmental parameters ofgreenhouse vegetable during the whole growth period,can drive Venturi Fertiliser effective irrigation facilities complete the refined vegetable farming.The result shows that the system can monitor the environmentalparameters ofthe vegetable atpresetintervals and can intelligently initiate or stop irrigation in the range ofsoilhumidity.It proves thatthis irrigation controlsystem is efficientthan otherauto irrigation system.

integrated management of waterand fertilizer;wireless sensor networks;environment control;facility vegetable；irrigation strategy

S126；TP23

：A

：1002-2481（2017）09-1534-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.09.33

2017-05-16

天津市科技支撐計劃資助項目（14ZCZDNC00005）；天津市農業科學院院長基金項目（16005）；天津市農業科技成果轉化和推廣項目（201601220）；天津市科技計劃項目（17YFZCNC00280）；中央引導地方科技發展專項資金項目（16ZYYFNC0010）；天津市蔬菜現代農業產業技術體系（ITTVRS2017018）；天津市國際合作項目（14RCGFNC00101）

張雪飛（1982-），女，河北唐山人，助理研究員，碩士，主要從事農業信息技術應用研究工作。王建春為通信作者。